一种基于物联网的列车网控管理系统的制作方法

本发明涉及物联网列车管理，具体涉及一种基于物联网的列车网控管理系统。

背景技术：

1、飞机、汽车和火车是现代人们出行的三种重要方式。其中火车的发明具有划时代的意义，是西方第一次工业革命的重要标志，极大地提高了人类社会的运输能力。随后，以火车为代表的轨道交通快速发展，并且在生活中得到了广泛的应用，衍生出城际铁路、地铁和有轨电车等多种形式，近年来随着中国城市化进程的发展，人口向各大中心城市聚集，交通出行成为一个大问题。城市轨道交通具有集约高效、大运量和全天候等诸多优点，是城市交通的大动脉。轨道交通不仅能够解决大型城市出行难，而且能够优化城市结构布局、促进经济社会发展，具有巨大的附加价值。轨道交通受到政府的大力支持，在城市交通建设中占有巨大的份额，是城市交通运输系统的重要组成部分。

2、在现有的列车管理系统中缺乏自动化的数据采集设备，需要依靠人工对列车各部件状态和乘客行为进行监测，容易出现盲区和监测不及时的情况，由于无法实时采集数据和监测信息，安全监测往往无法做到及时响应和预测，增加了事故发生的风险，其次缺乏摄像头监控和乘客行为监测，无法有效维护车厢的秩序。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于物联网的列车网控管理系统。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于物联网的列车网控管理系统，包括：数据采集模块：通过在列车内部署传感器设备监测列车各部件的状态及环境参数，利用摄像头对车厢内外进行监控，对乘客行为进行监测；

3、运行状态管理模块：收集列车运行数据，对列车运行状态进行分析以及预测；

4、智能决策模块：根据数据分析结果，对列车运行计划进行调整以及优化；

5、运行安全监测模块：实时监测列车的位置信息，确保列车在轨道上的行驶安全。

6、在一个优选地实施方式中，所述数据采集模块根据列车结构，在列车上部署传感器设备及摄像头，包括：温度传感器、湿度传感器、振动传感器、加速度传感器，室内摄像头以及室外摄像头，将传感器以及摄像头与列车的总控制端相连接，确保传感器以及摄像头能够将采集到的数据传输给总控制端，总控制端设置传感器的参数和阈值，以便准确监测列车各部件的状态和环境参数，通过采集的传感器数据，设置传感器的上下限，以便在异常情况发生时触发警报，设定传感器数据的下限为tmin，上限为tmax，则异常情况的具体公式表示为：

7、

8、其中，alarm表示一个布尔变量，当满足触发警报的条件时为true，否则为false，通过摄像头采集的图像数据，对摄像头监测到的乘客行为进行分析，监测乘客的行为异常情况，对采集到的图像数据进行预处理，包括图像去噪以及图像增强，提高后续行为检测的准确性，从预处理后的图像数据中提取乘客的行为特征，对于每一帧图像，通过光流法计算相邻两帧图像之间的像素位移，得到每个像素点的位移向量，表示乘客的运动情况，将两帧连续的图像表示为it(x，y)，it+1(x，y)，其中，t表示时间，(x，y)表示图像中的像素坐标，则运动情况的具体计算公式如下：

9、

10、其中，以及分别表示图像it+1在x、y和t方向上的偏导数，u表示光流在x方向上的分量，表示从时刻t到t+1，像素点在x方向上的位移，v表示光流在y方向上的分量，表示从时刻t到t+1，像素点在y方向上的位移，利用计算得到的运动情况数据，提取出乘客的行为特征，包括速度以及方向，对整个图像数据内的运动情况数据进行平均，得到代表整体运动方向和速度的向量，具体计算公式如下：

11、

12、其中，vavg表示平均运动速度，n表示速度数据点的总和，vi表示第i个速度数据点，对某个区域内的光流向量数量，反映该区域内的运动活跃程度，具体计算公式如下：

13、

14、其中，n表示该区域内的人数，a表示该区域的面积，依据提取到乘客的运动轨迹，并根据时间信息计算乘客的运动速度，具体计算公式如下：

15、

16、其中，distance表示乘客移动的总距离，time表示该乘客移动总距离所需的时间，依据计算得到的乘客的运动速度，若运动速度超过预设的阈值，则判定该乘客的行为为奔跑行为，使用图像识别技术对乘客携带的物品进行识别和分类，判断识别出的物品是否属于预设的危险物品类别，具体操作步骤如下：

17、s1、采集用户携带物品的图像数据，对图像数据进行预处理，包括图像缩放以及归一化，图像缩放的具体计算公式如下：

18、

19、其中，x′表示缩放后的像素值，min(x)和max(x)分别表示原始图像像素值的最小值和最大值，new_max-new_min分别表示目标范围的最小值和最大值，x表示原始图像的像素值，归一化的具体计算公式如下：

20、

21、通过图像归一化将图像的像素值转换到[0，1]的范围内；

22、s2、构建卷积神经网络模型，对乘客携带的物品进行识别和分类，判断乘客携带的物品是否属于危险物品类别，将预处理后的图像数据进行卷积操作，以提取物品的特征，卷积操作的具体计算公式如下：

23、

24、其中，s(i，j)表示卷积后的特征图在位置(i，j)的值，i表示输入图像，k表示卷积核，m和n表示卷积核的尺寸，对特征图进行下采样，减少数据的空间尺寸，保留图像数据中的重要特征，具体计算公式如下：

25、

26、其中，p(i，j)表示池化后的值，i表示输入的特征图，r表示池化窗口的区域，s表示池化的步长，将提取到的重要特征映射到输出空间中，具体计算公式如下：

27、y＝σ(w·x+b)

28、其中，x表示输入特征，w表示权重矩阵，用于将输入特征映射到输出空间中，b表示偏置项，σ表示激活函数，y表示输出，依据输出的结果衡量模型预测结果与实际类别之前的差异，具体计算公式如下：

29、

30、其中，yi表示真实标签代表样本属于第i个类别的概率，pi表示模型预测的概率，代表样本属于第i个类别的概率，通过优化算法不断优化预测结果，具体计算公式如下：

31、

32、其中，θ表示模型参数，α表示学习率，用于控制参数更新的步长，表示损失函数对每个参数的敏感程度，通过模型输出每个物品所属的类别，将识别结果展示给相关人员。

33、在一个优选地实施方式中，所述运行状态管理模块收集列车的实时运行状态数据，包括速度、位置、时间以及故障信息，整合列车运行的历史数据，包括历史运行记录以及维护记录，检查并删除重复的记录以及数据点，对于缺失的数据，使用插值法进行填充，通过统计方法识别异常值并进行平滑处理，将处理后的数据进行标准化处理，标准化处理的具体计算公式如下：

34、

35、其中，x表示原始数据，min(x)和max(x)分别表示数据中的最小最大值，将清洗以及标准化处理后的实时数据与历史数据整合，形成完整数据集，从完整数据中提取与列车运行状态相关的特征，包括加速度，减速度以及平均速度，将这些特征作为模型的输入，通过遗忘门决定保留某一时刻内列车运行状态相关的特征，具体计算公式如下：

36、ft＝σ(wf·[ht-1，xt]+bf)

37、其中，ft表示遗忘门的输出，决定上一时刻的数据ct-1有多少信息时需要保留到当前时刻ct，σ表示一个函数，将输出值压缩至0和1之间，wf表示遗忘门的权重矩阵，bf表示遗忘门的偏置项，

38、ht-1表示上一时刻lstm单元的隐状态，xt表示当前时刻的输入，通过输入门处理当前时刻的列车运行信息，生成新的列车运行信息，输入门的具体计算公式如下：

39、it＝σ(wi·[ht-1，xt]+bi)

40、ct＝tanh(wc·[ht-1，xt]+bc)

41、其中，it表示输入门的输出，决定当前时刻的列车运行信息ct有多少信息需要被更新到单元状态中，tanh表示双曲正切函数，将输出值压缩到-1和1之间，wi和wc表示输入门和列车运行信息的权重矩阵，bi和bc表示输入门和列车运行信息的偏置项，通过细胞状态更新，反映出列车运行状态的最新情况，具体计算公式如下：

42、ct＝ft⊙ct-1+it⊙ct

43、其中，ct表示当前时刻的列车运行信息，综合了遗忘门保留的历史信息和输入门带来的新信息，根据当前的信息总结列车的运行状态，并生成一个输出，具体计算公式如下：

44、ot＝σ(wo·[ht-1，xt]+bo)

45、ht＝ot⊙tanh(ct)

46、其中，ot表示输出门的输出，决定列车运行信息ct有多少信息需要被传递到lstm单元的当前隐状态ht，wo表示输出门的权重矩阵，bo表示输出门的偏置项，ht表示当前时刻lstm单元的隐状态，将被作为下一个时间步的输入ht-1。

47、在一个优选地实施方式中，所述智能决策模块根据模型预测的结果，对列车的运行计划进行调整和优化，以提高列车的准点率以及运行效率，列车运行线路包含多个运行区间，每个运行区间的限速不同，限速的时间分配受运行区间长度以及限速值大小的影响，列车运行前方包含若干个限速区间，在分配列车在当前区间的运行时间时，需计算每个区间的时间分配信号，具体计算公式如下：

48、fq＝(qi-qi-1)/vi_i

49、其中，qi表示当前区间的长度，即列车需要通过的当前区间的距离，qi-1表示前一区间的长度，即列车已经通过的前一个区间的距离，vi_i表示当前区间的限速值，表示列车在当前区间内的最高允许速度，列车在当前限速区间内运行时，剩余运行区间在实时变化，对应当前区间的时间分配信号fq需要动态实时计算，则当前区间内的剩余运行时间的具体计算公式如下：

50、fq＝(qi-q)/vi_i

51、

52、其中，q表示列车已经通过的距离，st表示当前区间的剩余运行时间，st表示列车在整个行程中的总剩余时间，表示前方各个区间时间分配信号的总和，用于计算当前区间的剩余运行时间，在到达限速区间时，列车提前进行制动降速，保证列车的安全运行，列车在进入限速区间内时，开始制动减速，直到下降至满足限速要求为止，具体计算公式如下：

53、

54、其中，δs表示列车需要减速的距离，即在制动过程中列车需要减少的形式距离，a表示列车的减速度，即列车进行制动时的减速度，通过计算得到列车需要减速的距离，能够帮助列车在进入限速区间时提前进行制动减速，以确保列车在限速区间内安全运行。

55、在一个优选地实施方式中，所述运行安全监测模块使用gps定位系统实时监测列车的位置信息，对比列车运行的实际位置(x_1,y_1)与正确运行位置(x_2,y_2)，确保列车在轨道上正确行驶，实际位置与正确运行位置的距离偏差通过以下公式计算：

56、

57、其中，d表示距离偏差，通过计算实际位置与正确运行位置之间的偏差，以确定列车是否偏离预定轨道，根据偏差对列车的运行位置进行适当调整。

58、本发明的有益效果是：本发明通过监测列车各部件的状态和环境参数，以及乘客行为，同时利用智能决策模块对列车运行计划进行调整和优化，实现对列车运行状态的实时监测与控制，通过安全监测模块实时监测列车位置信息，确保列车在轨道上安全运行，提高列车的运行效率以及安全性，实现智能化、高效化的列车管理与运行。